TpBD COF@ZnIn2S4 nanosheets: A novel S-scheme heterojunction with enhanced photoreactivity for hydrogen production

doi:10.1016/j.apcatb.2023.122624

论文编号: 524
期刊: Applied Catalysis B: Environmental
影响因子: 19.503
中科院分区: 1 区
发表年份: 2023
DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122624
设备型号: XH-800S
作者单位: 中南民族大学催化与能源材料化学教育部重点实验室/湖北省催化材料科学重点实验室；华中师范大学物理科学与技术学院湖北省光电材料与器件工程研究中心；葡萄牙里斯本新大学 NOVA 理工学院化学系；中南民族大学催化与能源材料化学教育部重点实验室 / 湖北省催化材料科学重点实验室；华中师范大学物理科学与技术学院湖北省光电材料与器件工程研究中心
Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry of Ministry of Education & Hubei Key Laboratory of Catalysis and Materials Science, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China; Hubei Engineering Research Center for Optoelectronic Materials and Devices, College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; LAQV-REQUIMTE, Department of Chemistry, NOVA School of Science and Technology, Universidade NOVA de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal; Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry of Ministry of Education & Hubei Key Laboratory of Catalysis and Materials Science, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China; Hubei Engineering Research Center for Optoelectronic Materials and Devices, College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; LAQV-REQUIMTE, Department of Chemistry, NOVA School of Science and Technology, Universidade NOVA de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal
研究方向: 光催化制氢；COF 异质结；微波水热合成；可见光水分解；太阳能转化

事实快照

论文：TpBD COF@ZnIn2S4 纳米片:一种新型的 s 方案异质结，具有增强的光反应性，用于制氢
设备：XH-800S
期刊与分区：Applied Catalysis B: Environmental，中科院 1 区
核心条件：温度 90 ℃ / 120 ℃；时间 10 min / 30 min / 45 min
关键结果：可见光制氢速率 2304 μmol g-1 h-1；AQE 5.02%
用途：可作为光催化制氢；COF 异质结；微波水热合成；可见光水分解；太阳能转化的论文证据页。

研究摘要

作者针对 COFs 和 ZnIn2S4 单一光催化剂在实际制氢应用中仍面临的光生载流子复合快、光反应活性不足和稳定性受限等问题，提出在 TpBD COF 表面原位生长 ZnIn2S4 纳米片，构建核壳式 TpBD COF@ZIS S-scheme 异质结。结果表明，最优样品 TpBD COF@ZIS-10 在无助催化剂条件下即可实现 2304 μmol g−1 h−1 的可见光制氢速率，420 nm 下 AQE 为 5.02%，分别约为纯 TpBD COF 和纯 ZIS 的 16.3 倍和 9.8 倍。论文进一步结合原位 XPS、ESR 与 DFT 计算证明，界面强相互作用和 S-scheme 电荷转移机制共同促进了光生电子-空穴分离，同时保留了更强的氧化还原能力，并显著提升了 ZIS 的光稳定性。

研究背景与解决的问题

作者针对 COFs 和 ZnIn2S4 单一光催化剂在实际制氢应用中仍面临的光生载流子复合快、光反应活性不足和稳定性受限等问题，提出在 TpBD COF 表面原位生长 ZnIn2S4 纳米片，构建核壳式 TpBD COF@ZIS S-scheme 异质结。

设备应用与实验条件

项目	参数
温度	90 ℃ / 120 ℃
时间	10 min / 30 min / 45 min

关键结果

指标	结果
可见光制氢速率	2304 μmol g-1 h-1
AQE	5.02%

机制/方法亮点

这篇论文的核心机理不是简单的 type-II 异质结，而是更强调保留氧化还原能力的 S-scheme 电荷转移路径。 TpBD COF 与 ZIS 形成紧密界面后，界面强相互作用和内建电场共同驱动能带弯曲。
在光照条件下，低能载流子优先在界面复合，留下还原能力更强的 ZIS 导带电子和氧化能力更强的 TpBD COF 价带空穴。
原位 XPS 结果显示，420 nm 光照下 TpBD COF 侧的 C 1s/N 1s 向高结合能偏移，而 ZIS 侧的 Zn 2p/In 3d/S 2p 向低结合能偏移，支持电子由 TpBD COF 向 ZIS 迁移的判断。
ESR 检测到更强的 •O2− 信号，说明异质结保留了足够强的还原能力，这与普通 type-II 机制不符，却与 S-scheme 机制一致。
因此，提升产氢效率的关键在于：微波水热原位生长带来的高质量界面，配合 S-scheme 电荷分离，实现了“分离效率提升”和“高氧化还原势保留”两者兼顾。

应用价值

用微波水热原位生长把 TpBD COF 和 ZnIn2S4 真正整合成一体化异质结，而不是停留在物理混合层面。
最优样品在无助催化剂条件下即可实现 2304 μmol g−1 h−1 的可见光产氢速率，结果传播性很强。
420 nm 下 AQE 达 5.02%，并在 8 个循环后仍保持 2202 μmol g−1 h−1，兼顾活性和稳定性。
通过原位 XPS、ESR 和 DFT 把 S-scheme 电荷转移路径解释清楚，机制链条完整。
微波水热法制得的样品对比物理混合样提升约 11.8 倍，说明工艺路线本身对界面质量具有决定性价值。

常见问题

这篇论文使用了哪种设备？: 本研究使用 XH-800S。
研究的核心发现是什么？: 该研究发表于 Applied Catalysis B: Environmental（2023），使用 XH-800S 开展光催化制氢；COF 异质结；微波水热合成；可见光水分解；太阳能转化研究，关键结果包括可见光制氢速率 2304 μmol g-1 h-1；AQE 5.02%。
该研究发表在哪个期刊？: 发表于 Applied Catalysis B: Environmental，中科院 1 区。

引用信息
TpBD COF@ZnIn2S4 nanosheets: A novel S-scheme heterojunction with enhanced photoreactivity for hydrogen production
Applied Catalysis B: Environmental, 2023
DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122624